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O ponto de operação Q

O ponto Q (quiescent point) define o estado de repouso do BJT (sem sinal AC):

• ICQ: corrente de coletor em repouso
• VCEQ: tensão coletor-emissor em repouso
• IBQ: corrente de base em repouso

Para amplificação linear, Q deve situar-se no centro da reta de carga AC — equidistante da saturação e do corte — para maximizar a excursão de sinal sem clipping.

IC
|    Saturação
|  /
Q·  ← ponto Q ideal: centro da reta
|  \
|   Corte
+----------> VCE

Reta de carga DC

A reta de carga DC une os dois pontos extremos de operação:

Ponto de saturação (VCE = 0):

Ponto de corte (IC = 0):

A reta passa pelos dois pontos. Para Q ideal:

Reta de carga AC e variação de β

A reta de carga AC tem inclinação diferente porque condensadores de bypass (CE) e de acoplamento (CC) curto-circuitam RE e a fonte em AC:

Problema com variação de β:

• Dois transistores BC547 podem ter β = 100 ou β = 400
• Com polarização de base fixa: ICQ = β × IB → varia enormemente
• Solução: polarização com divisor de tensão + resistência de emissor RE → estabiliza Q independentemente de β

Divisor de tensão (Voltage Divider Bias)

A configuração mais estável para o ponto Q:

    +VCC
     |
    [RB1]
     |
     +──── Base
     |
    [RB2]
     |
    GND

Tensão na base (divisor):

VE e IE:

Procedimento de cálculo

Dado: VCC, ICQ desejado, β(típico)

Passo 1 — Escolher VE ≈ 10% de VCC (estabilização):

Passo 2 — VCE no ponto Q ≈ VCC/2:

Passo 3 — Tensão de base:

Passo 4 — Divisor de tensão (corrente do divisor ≈ 10 × IBQ):

Exemplo numérico

Dados: VCC = 12 V, ICQ = 1 mA, β = 150

1. VE = 1,2 V → RE = 1,2/0,001 = 1,2 kΩ → escolher 1 kΩ
2. VCE = VCC/2 = 6 V; VC = 6 + 1,2 = 7,2 V; RC = (12–7,2)/0,001 = 4,8 kΩ → 4,7 kΩ
3. VB = 1,2 + 0,7 = 1,9 V
4. IBQ = 1mA/150 = 6,7 µA; Idiv = 10×6,7 = 67 µA
5. RB2 = 1,9/67µA = 28,4 kΩ → 27 kΩ; RB1 = (12–1,9)/67µA = 150,7 kΩ → 150 kΩ

Amplificador de Emissor Comum (EC)

Configuração mais usada para amplificação de tensão:

      +VCC
       |
      [RC]
       |
Vin──[CC1]──B
            C──[CC2]── Vout
            E
           [RE]──[CE]
            |
           GND

• CC1, CC2: condensadores de acoplamento (bloqueiam DC)
• CE: condensador de bypass (curto-circuito em AC para RE)

Ganho e impedâncias do EC

Resistência de emissor intrínseca (re):

Ganho de tensão (com CE em curto-circuito em AC):

Sem CE (RE visível em AC):

Impedância de entrada:

Impedância de saída:

Resposta em frequência do EC

O amplificador EC comporta-se como passa-banda:

Frequências de corte inferiores (–3 dB) — determinadas por CC1, CC2, CE:

Frequência de corte superior — transistor tem capacidades parasitas (Cbe, Cbc):

A banda de passagem: fL < f < fH — o ganho é plano e máximo.

Amplificador de Coletor Comum (CC)

Também chamado seguidor de emissor (emitter follower):

      +VCC
       |
       B──[CC1]── Vin
       C
       E──[CC2]── Vout
      [RE]
       |
      GND

Características:

• Ganho de tensão: Av ≈ 1 (ligeiramente inferior — sem inversão de fase)
• Impedância de entrada: alta → Zin = RB || [β(re + RE)]
• Impedância de saída: baixa → Zout = RE || [(Rs/β) + re]

Por que usar o seguidor de emissor?

Buffer: adapta impedâncias sem alterar o sinal

Aplicações:

• Separar um circuito de alta impedância de uma carga de baixa impedância
• Buffer entre pré-amplificador e amplificador de potência
• Driver de linha (saída de áudio para cabo longo)

Amplificador de Base Comum (BC)

      +VCC
       |
      [RC]
       |
Vin──[CC1]──E   C──[CC2]── Vout
            B
           [RB] (ligado a tensão de polarização ou GND em AC)
            |
           GND

Características:

Aplicações: amplificadores de RF (rádio frequência), VCO, mixers — onde a baixa impedância de entrada é vantajosa para adaptação de impedância a 50 Ω.

Tabela comparativa das 3 configurações

Pré-amplificador de microfone

Microfone dinâmico: saída ≈ 1 mV, impedância ≈ 600 Ω.
Objectivo: ganho de 40 dB (× 100).

Estágio 1 (EC com baixo ruído):

• ICQ = 0,5 mA (baixa corrente → baixo ruído)
• re = 26 mV / 0,5 mA = 52 Ω
• RC = 5,2 kΩ → Av1 = –5200/52 = –100 (40 dB) ✓
• Polarização: divisor de tensão com VCC = 9V

Condensadores de acoplamento:

• Para fL < 20 Hz: CC = 1/(2π × 20 × 600) ≈ 13 µF → usar 22 µF

Ruído: usar transistor de baixo ruído (BC549C, 2SC945) ou JFET (J112).

Amplificador de áudio classe A — 1W

Classe A: o BJT conduz durante todo o ciclo do sinal.

• Fidelidade máxima, distorção mínima
• Eficiência máxima: 25–50% (baixa — o transistor está sempre quente)

Ponto Q: VCE = VCC/2, IC = VCC / (2 × RC)

Potência AC máxima na carga:

Com VCC = 12 V, RL = 8 Ω: Pmax = 144/(64) = 2,25 W (teórico)
Na prática ≈ 1 W (eficiência real 40%)

Dissipação no BJT: Pd = VCC × IC – Pout ≈ 3,6 W → dissipador + BD139 (TO-126, 8W)

Distorção em amplificadores

A distorção harmónica total (THD) mede a qualidade do amplificador:

Causas de distorção:

1. Clipping: excursão de sinal ultrapassa a reta de carga → limitação dura
2. Q descentrado: ponto Q afastado do centro → clipping assimétrico
3. Não-linearidade de re: re = VT/IC varia com o sinal → distorção harmónica
4. Crossover distortion (Classe B/AB): zona morta na transição positivo/negativo

Reduzir distorção:

• Centrar o ponto Q
• Reduzir o ganho (com RE sem bypass) → lineariza mas reduz Av
• Usar realimentação negativa (feedback) — a mais eficaz
• Trabalhar com amplitudes de sinal pequenas (< 20% da excursão máxima)